双级矩阵变换器共模电压抑制策略研究

摘要

双级矩阵变换器(Two-stage Matrix Converter，TSMC)不仅继承了常规矩阵变换器(Conventional Matrix Converter，CMC)直流侧无储能元件、功率密度高、结构紧凑、能量可以双向流动、输入输出电流正弦、输入功率因数可控、谐波污染小等优点，同时克服了CMC存在的换流控制复杂、开关数量多、箝位电路庞大等缺点，是一种比CMC更具发展潜力的新型“绿色”电力变换器。
　　TSMC会在负载中性点与参考地之间产生共模电压，该共模电压是TSMC的固有输出量，会导致系统产生一系列的负面效应。本文在介绍TSMC传统空间矢量调制策略原理基础上，通过分析共模电压产生原因和分布规律，研究了一种带共模电压抑制功能的改进型调制策略，为传统空间矢量调制策略下共模电压抑制提供了一种解决思路。
　　TSMC是一体化拓扑结构，整流级与逆变级间存在互相耦合问题，空间矢量调制策略是一种近似开环的控制，无法消除两级间耦合扰动，且针对双级矩阵变换器(TSMC)共模电压负面效应，传统空间矢量调制策略需要在每个开关周期下对共模电压产生规律分析研究，制定相应抑制规则人为调整逆变级零矢量。针对上述问题，将预测控制策略引入双级矩阵变换器，并研究了一种带共模电压抑制功能的TSMC模型预测控制策略，利用TSMC离散数学模型和72种开关状态，以共模电压、输入无功和输出电流为控制目标，通过一个采样周期水平上的预测和直观的控制，选择开关状态，使输出电流高度跟随其参考值、输入功率满足单位功率因数。消除了TSMC整流级与逆变级两级耦合扰动的影响，在时刻确保优良的输入输出性能同时，能够削减共模电压瞬时最大值，抑制其负面效应。
　　为了对文中方案进行仿真和实验验证，分别搭建了以DSP+CPLD和FPGA为核心的实验样机并设计了系统软硬件。结果表明，改进型TSMC调制策略，将共模电压瞬时最大值削减到原有的57．7％，削减了共模电压瞬时最大值；TSMC预测控制策略，实现了TSMC输入输出性能良好的前提下，有效抑制了共模电压负面效应。

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1. 绪论

1.1. 课题的研究背景及意义

1.2. 国内外研究现状及发展趋势

1.3. 本文主要内容

2. 双级矩阵变换器

2.1. TSMC拓扑结构

2.2. TSMC调制策略

2.3. 仿真实现

2.4. 本章小结

3. 双级矩阵变换器共模电压抑制

3.1. 共模电压产生原因及负面效应

3.2. 共模电压分布规律

3.3. TSMC改进型调制策略下共模电压抑制

3.4. TSMC预测控制下共模电压抑制

3.5. 仿真实现

3.6. 本章小结

4. 系统设计与实现

4.1. 系统实现方案

4.2. 系统硬件电路

4.3. 系统软件设计

4.4. 本章小结

5. 仿真及实验结果分析

5.1. TSMC调制策略仿真及实验结果

5.2. 带共模电压抑制的预测控制仿真以及实验结果

5.3. 本章小结

6. 全文总结及展望

致谢

参考文献

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